Schadensprozesse

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[Category:Grundlagen]]

Einleitung

Salzen kommt eine zentrale Bedeutung bei der Verwitterung poröser Baustoffe zu. Salzschäden sind immer die Folge von Phasenumwandlungen im Porenraum und damit einhergehendem Kristallwachstum. Durch die in einem Porenraum eingeschlossenen, wachsenden Kristalle können Drücke aufgebaut werden, die die mechanische Festigkeit vieler Baustoffe übertreffen, so dass es zum Versagen der Materialien kommt. In den vergangenen Jahren wurden erhebliche Fortschritte beim Verständnis des eigentlichen Schadensmechanismus beim Kristallwachstum erzielt. Ungeachtet des Mechanismus ist es aber offensichtlich, dass die genaue Kenntnis der Bedingungen, unter denen es zu unerwünschten Phasenumwandlungen kommt, von entscheidender Bedeutung ist, um geeignete Strategien zur Verhinderung von Schäden zu entwickeln.

Phasenumwandlungen – Kristallisation

Der wichtigste Phasenumwandlungsprozess, der zu Schäden in Baustoffen führen kann, ist die Kristallisation eines Salzes in einer Porenlösung. Diese kann beispielsweise durch Verdunstung von Wasser ausgelöst werden oder auch durch eine Temperaturänderung, da viele Salze eine ausgeprägte Abhängigkeit ihrer Löslichkeit von der Temperatur aufweisen. Kritisch wird der Prozess vor allem dann, wenn er unter ungünstigen Bedingungen zyklisch auftritt, d.h. wenn Salze immer wieder in Lösung gehen und auskristallisieren. Solche zyklischen Kristallisationsprozesse treten dann auf, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Materials sich ständig verändert. Bei hoher Feuchtigkeitszufuhr, z.B. bei Beregnung, lösen sich die in der Regel gut löslichen Salze in Baustoffen auf, bei der anschließenden Trocknung kommt es zur Kristallisation. Auch Kondensation(LINK3) kann als Quelle der Feuchtigkeit für die zwischenzeitliche Auflösung von Salzen in Betracht kommen.

Schließlich sind es vor allem die Eigenschaften der Salze selbst, die den Feuchtegehalt eines Baustoffs kontrollieren. Hier kommt besonders dem Vorgang der Deliqueszenz eine besondere Bedeutung zu. Bei Überschreitung seiner Deliqueszenzfeuchtigkeit (DRH) nimmt ein Salz Feuchtigkeit aus der umgebenden Luft auf und bildet eine Lösung. Bei weiterer Erhöhung der Luftfeuchtigkeit wird mehr Wasser aufgenommen und die Lösung verdünnt sich stark. Salze im Mauerwerk können deshalb ihre Hygroskopizät erheblich zur Durchfeuchtung beitragen. Sinkt die relative Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft wieder unter die Deliqueszenzfeuchtigkeit ab, kommt es zur Kristallisation. Somit können alleine Schwankungen der relativen Luftfeuchtigkeit um die Deliqueszenzfeuchtigkeit zu zyklischen Kristallisationsprozessen führen, die in der Regel schon nach kurzer Zeit schwere Materialschäden zur Folge haben.

Phasenumwandlungen – Hydratation

Auch bei Hydratationsreaktionen kommt es zum Kristallwachstum im Porenraum. Da die höher hydratisierte Phase eine geringere Dichte aufweist, erhöht sich bei Hydratationsreaktionen der Porenfüllungsgrad, so dass die wachsenden Kristalle der hydratisierten Form eines Salzes gegen die Porenwand wachsen und Druck, den sogenannten Hydratationsdruck, aufbauen können. Auch Hydratationsreaktionen können unter ungünstigen Bedingungen zyklisch verlaufen. Dabei kann die für die Hydratationsreaktion erforderliche Feuchte wiederum durch Niederschläge oder Kondensation eingebracht werden, es kann aber auch eine Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit ausreichen, um die Reaktion in Gang zu setzen.

Salze und Raumklima

Arnold und Zehnder [Arnold.etal:1991]Titel: Monitoring Wall Paintings Affected by soluble Salts
Autor / Verfasser: Arnold, Andreas; Zehnder, Konrad
haben erstmals die Eigenschaften von Salzen vor dem beschriebenen Hintergrund untersucht und Beobachtungen am Bauwerk mit den Eigenschaften verschiedener Salze und den klimatischen Bedingungen korreliert. Sie konnten zeigen, dass in vielen Fällen die Dynamik von Salzschadensprozessen durch Wechselwirkung des Salzgemisches im Porenraum mit der Umgebungsfeuchte, also den raumklimatischen Verhältnissen bestimmt ist. Beispielsweise verändert sich in beheizten Innenräumen die relative Luftfeuchtigkeit zyklisch im Jahresgang, wobei während der Heizperiode typischerweise sehr niedrige Luftfeuchtigkeiten von 30–40% erreicht werden. Das hat eine zyklische Über- und Unterschreitung der Deliqueszenz- bzw. Hydratationsfeuchtigkeiten einer Reihe von Salzen zur Folge, was unweigerlich Schadensprozesse auslöst, wenn die betreffenden Salze in einem Baustoff angereichert und solchen raumklimatischen Bedingungen ausgesetzt werden. Umgekehrt bietet, bei einer gegebenen Belastung eines Baustoffs mit einem bestimmten Salz die Kontrolle des Raumklimas die Möglichkeit, Schadensprozesse durch Kristallwachstum sicher auszuschließen [Price:2000]Titel: An expert chemical model for determining the environmental conditions needed to prevent salt damage in porous materials : protection and conservation of the European cultural heritage
Autor / Verfasser: Price, C.
, [Steiger:2005c]Titel: Salts in Porous Materials: Thermodynamics of Phase Transitions, Modeling and Preventive Conservation
Autor / Verfasser: Steiger, Michael
, wodurch sich die Möglichkeit zur präventiven Konservierung bietet.

Literatur

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Hydratation

Viele Salze können in ihr Kristallgitter definierte Mengen von Wasser einbauen. Es handelt sich dabei nicht um an eine an An- oder Einlagerung von Wassermolekülen in das vorhandene Kristallgitter eines wasserfreien Salzes(LINK1), wie beispielsweise in einem porösen Material. Tatsächlich besitzen Hydratsalze genau wie wasserfreie Salze definierte Gitterstrukturen, in den neben den Kationen und Anionen auch die Wassermoleküle definierte Positionen besetzen. In der Regel unterscheiden sich die Strukturen eines wasserfreien und eines hydratwasserhaltigen Salzes völlig, d.h. auch die Kationen und Anionen weisen in beiden Salzen völlig unterschiedliche Gitteranordnungen auf.

Existieren von einem Salz verschiedene Hydratstufen, dann können sich diese durch Wasseraufnahme (Hydratation) oder Wasserabgabe (Dehydratation) ineinander umwandeln. Eines der in Baustoffen am häufigsten anzutreffenden Salze, Natriumsulfat(LINK2), kommt beispielsweise sowohl als wasserfreie Phase Na₂SO₄ (Thenardit) als auch in hydratisierter Form als Dekahydrat Na₂SO₄•10H₂O (Mirabilit) vor. Für die Umwandlung der beiden Phasen ineinander gilt folgende Reaktionsgleichung:

Na₂SO₄ + 10H₂O  Na₂SO₄•10H₂O

Je nach relativer Luftfeuchtigkeit sind entweder Thenardit oder Mirabilit stabil. Hohe Luftfeuchtigkeiten begünstigen die Bildung hydratisierter Phasen. Beispielsweise bildet sich bei 20 °C Mirabilit bei relativen Luftfeuchtigkeiten ab 76.4%, der Gleichgewichtsfeuchtigkeit RH_eq für das Hydratations-Gleichgewicht von Thenardit und Mirabilit. Diese Gleichgewichtsfeuchtigkeiten sind jedoch stark temperaturabhängig. In nachstehender Tabelle sind für einige der in Baustoffen vorkommenden Salzhydrate die Gleichgewichtsfeuchtigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen aufgeführt.

Salzpaar	0 °C	10 °C	20 °C	30 °C	40 °C	50 °C
Na2SO4 – Na2SO4•10H2O	60.6	68.2	76.4	85.3	–	–
MgSO4•6H2O – MgSO4•7H2O	30.2	37.5(7)	46.7	57.7	70.6	–
MgSO4•H2O – MgSO4•7H2O	36.1	41.1	46.7	53.0	60.0	67.7
MgSO4•4H2O – MgSO4•6H2O	32.0	35.4	39.1	43.3	48.4	54.4

Weitere wichtige Hydrate und detailliertere Angaben zu Gleichgewichtsfeuchtigkeiten finden sich bei den einzelnen Salzen(LINK3).

Neben Kristallisationsvorgängen aus Lösungen(LINK4) sind Hydratationsreaktionen eine zweite Gruppe von Prozessen, die zum Kristallwachstum im Porenraum und deshalb zur Ausbildung von Druck (Hydratationsdruck(LINK5)) und damit letztlich zur Materialschädigung führen.

LINKS

1 Grundlagenseite mit Kristallgitter

2 auf die Na2SO4-Seite

3 Übersichtsseite Salze

4 Kristallisationsdruck

5 Hydratationsdruck

Deliquescence Relativ Humidity - Deliqueszenzfeuchte

Als Phase wird ein stofflicher Zustand bezeichnet, der in sich, makroskopisch betrachtet, homogen ist.

Kationen sind positiv geladene Ionen.

Negativ geladene Ionen

relative humidity /relative Luftfeuchte